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WO1991015747A1 - Verfahren zur härtemessung nach der ultraschall-kontakt-impedanz-methode - Google Patents

Verfahren zur härtemessung nach der ultraschall-kontakt-impedanz-methode Download PDF

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WO1991015747A1
WO1991015747A1 PCT/DE1991/000256 DE9100256W WO9115747A1 WO 1991015747 A1 WO1991015747 A1 WO 1991015747A1 DE 9100256 W DE9100256 W DE 9100256W WO 9115747 A1 WO9115747 A1 WO 9115747A1
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WO
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sample
measured
hardness
test
hardness value
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PCT/DE1991/000256
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French (fr)
Inventor
Jörg SCHILLER
Alexander Halim
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Krautkraemer GmbH and Co
Krautkraemer GmbH
Original Assignee
Krautkraemer GmbH and Co
Krautkraemer GmbH
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Publication date
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Priority to EP91905798A priority patent/EP0524201B1/de
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Ceased legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/04—Analysing solids
    • G01N29/12—Analysing solids by measuring frequency or resonance of acoustic waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N3/40—Investigating hardness or rebound hardness
    • G01N3/405—Investigating hardness or rebound hardness by determining the vibration frequency of a sensing element in contact with the specimen
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/02—Indexing codes associated with the analysed material
    • G01N2291/028—Material parameters
    • G01N2291/02827—Elastic parameters, strength or force

Definitions

  • the invention relates to a method for measuring the hardness or elastic material properties under load by the ultrasonic contact-impedance method, in which a rod-shaped resonator, which carries a penetrator at a free end, raft with a pre ⁇ discontinued test is pressed against a sample to be measured, the indenter penetrating into the sample, and the resulting change df of the frequency f of the resonator is measured and from this using a conversion formula using the known values for the hardness value HV (or for the elastic modulus E and for the transverse contraction number ⁇ ) of the sample, either the elastic modulus E or the hardness value HV is determined.
  • the hardness value is to be determined, in particular, for series parts with low mechanical reactance.
  • an impression is first carried out for calibration on several hardness comparison plates, which is measured both in terms of UCI and optically (according to the Vickers method). From the values obtained and the known hardness value of the hardness comparison plates, coefficients of a correction higher level correction function for the UCI measurement and at least one first level correction function for the optical measurement.
  • a correction factor can be determined from the ratio of the optical and UCI measured values obtained per impression and the other series parts can then be matched at the same coordinates of the upper ⁇ only hardness determined according to UCI. This significantly simplifies and accelerates this hardness measurement.
  • the correction used is essentially empirical and tailored to the specific property of the sample. If the sample geometry changes, the entire calibration process must run again. In particular, however, it is not possible to determine the reactance of the sample using the previously known method. The reactance is only regarded as an interfering factor, but is not actually detected.
  • HV G (df, a, o , b) (1)
  • a is a sample-independent apparatus constant
  • Ro is the reactance of the sample
  • b is a term containing the elasticity module E and the transverse contraction number ⁇ , resulting in a number of linear equations corresponding to the number of test forces, from which on the one hand either the hardness value HV or the term b is determined independently of the reactance R o or on the other hand the reactance o is determined with a known hardness value or term b.
  • the value formula (1) results from the approach made by Gladwell and Kleesattel in the first equation of this Review, although the reactance is expressly not neglected.
  • the new conversion formula makes it possible to determine the reactance R o of a sample, which is essentially given by the sample geometry, by at least two measurements with different test forces. Furthermore, the cross-contraction number, the hardness value HV or the modulus of elasticity E can then be determined with this conversion formula, provided two of these three variables are known.
  • the method according to the invention has decisive advantages in practical testing, for example for hardness or elastic modulus.
  • the method according to the invention can be combined with a further, expediently automated hardness test method, for example an optical measurement of the hardness test impression generated by the method, after removal of the resonator.
  • a further, expediently automated hardness test method for example an optical measurement of the hardness test impression generated by the method, after removal of the resonator.
  • the coefficients a and b are necessary for the calibration of a hardness testing device according to the UCI method, since the hardness is known in the case of hardness comparison plates, such as are used for the calibration, and the elasticity module and the Cross-contraction number can be determined.
  • the two coefficients a and b can be determined with only two (instead of three) measurements.
  • a third hardness comparison plate, as is necessary when using the conversion formula used according to the prior art, has been omitted.
  • the indenter is first pressed against the sample with a first force and the associated frequency change is measured, and then the pressure force is increased to a higher, second value and the frequency shift df is measured again at this.
  • the pressure force is increased to a higher, second value and the frequency shift df is measured again at this.
  • pairs of values are obtained via which a more precise determination of the desired sizes, e.g. B. the hardness value is possible.
  • the gradual increase in the pressing force also enables a significant shortening of the process sequence, since mechanical intermediate steps such as e.g. B. moving the resonator are not necessary.
  • the multi-step measurement therefore requires only a little more time than for the known measurement according to the prior art with only one test force (pressing force) per impression.
  • FIG. 1 shows a basic illustration of the hardness tester according to the invention in side view and with a sample
  • FIG. 2 shows a diagram for the course of a measurement with four different test forces.
  • a probe 20 is shown in FIG. 1, in which a rod-shaped resonator 22 is located, at its free, lower end protruding from the probe housing a Vickers indenter is attached.
  • the resonator 22, which is longitudinally displaceable in the probe housing is supported with respect to the probe housing by a spring 24.
  • the probe 20 is fastened on a carriage 28 which is vertically displaced. slidably and guided over a longitudinal guide on a main slide 30 is arranged.
  • the probe 20 can be moved up and down in the sense of the double arrow 34 by means of an electric motor 32 which is connected to the slide 28 via a screw spindle and is itself attached to the main slide 30.
  • the state of the first contact can be determined by a frequency jump, but also alternatively by an amplitude or phase jump in the oscillation of the resonator 22. If, starting from this state, the probe 20 is pressed further against the sample 26 via the slide 28 driven by the electric motor 32, the spring 24 becomes increasingly shorter. The resulting displacement between the resonator 22 and the probe housing can be detected by a length measurement, each length corresponds to a force. On the other hand, a force measuring device can also be provided at one end of the spring.
  • a microscope objective 36 with attached video camera 38 is also attached to the main slide 30, as shown in FIG. 1, the probe 20 and the optical arrangement 36, 38 are aligned parallel to one another.
  • the main slide is slidably arranged in a horizontal longitudinal guide 40 in the sense of the double arrow 42.
  • the longitudinal guide 40 has two parallel round bars.
  • the axes of the resonator 22 and the optical arrangement 36, 38 are at the same distance from the longitudinal guide 40.
  • the main slide 30 can be displaced by the distance between the axes of the resonator 22 and the objective 36 along the longitudinal guide 40, adjustable stops, not shown, are provided at both ends of the displacement path.
  • the arrangement is such that when shifting from one stop to the other, the location at which the Vickers indenter has left an impression appears exactly in the center of the lens 36.
  • an impression which was initially obtained by pressing the indenter of the resonator 22 into the sample 26, can be measured optically, ie by the Vickers method, after the resonator 22 has been lifted and the main slide 30 has been moved.
  • the spring 24 is gradually compressed further, resulting in the course shown in FIG. 2.
  • the conversion formula (1) can be represented in the following form:
  • the constant a is not known, it can also be obtained according to the method according to the invention by measuring a Vickers impression which, for. B. gradually by at least two test forces a hardness comparison plate with a known hardness value and a known value of the term b is generated.
  • the reactance R o and either the hardness value HV or the material-dependent term b can now be determined for any sample from the given system of equations (2a) and (2b).
  • the elastic modulus (also called the modulus of elasticity or elastic modulus) E can be obtained from b if the transverse contraction number is known, specifically from the equation
  • test force can also be increased by placing weights on the probe. This can also be done by motor, for example by lowering a weight with a spindle and placing it on the probe.
  • test force can also be increased continuously and the associated frequency shift df recorded.

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Abstract

Beim dem Verfahren zur Messung der Härte oder elastischer Materialeigenschaften unter Last nach der Ultraschall-Kontakt-Impedanz-Methode wird die Änderung df der Frequenz f eines Resonators gemessen und hieraus über eine Umwerteformel mittels der bekannten Werte für den Elastizitätsmodul E (bzw. für den Härtewert HV) und die Querkontraktionszahl ν der Probe der Härtewert HV (bzw. der Elastizitätsmodul E) ermittelt. Die Frequenzänderung df wird bei zumindest zwei unterschiedlichen Prüfkräften gemessen und die so gemessenen Frequenzänderungen df werden jeweils in eine Umwerteformel der Form HV = G(df, a, Ro, b) eingesetzt, in der a eine probenunabhängige, apparative Konstante, Ro die Reaktanz der Probe und b ein den Elastizitätsmodul E und die Querkontraktionszahl ν enthaltender Term sind, wobei sich eine der Zahl der Prüfkräfte entsprechende Anzahl von linearen Gleichungen ergibt, aus denen einerseits entweder der Härtewert HV bei bekanntem Term b oder der Term b bei bekanntem Härtewert HV unabhängig von der Reaktanz Ro oder andererseits die Reaktanz Ro bei bekanntem Härtewert HV und bekanntem Term b ermittelt wird.

Description

Bezeichnung: Verfahren zur Messung der Harte oder elastischer
Materialeigenschaften unter Last nach der Ultraschall- Kontakt-Impedanz-Methode
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung der Harte oder elastischer Materialeigenschaften unter Last nach der Ultra- schall-Kontakt-Impedanz-Methode, bei dem ein stabförmiger Resonator, der an einem freien Ende einen Eindringkörper trägt, mit einer vorge¬ gebenen Prüf raft gegen eine zu messende Probe gedrückt wird, wobei der Eindringkörper in die Probe eindringt, und die dadurch bedingte Änderung df der Frequenz f des Resonators gemessen wird und hieraus über eine Umwerteformel mittels der bekannten Werte für den Härtewert HV (bzw. für den Elastizitätsmodul E und für die Querkontraktionszahl μ) der Probe entweder der Elastizitätsmodul E oder der Härtewert HV er¬ mittelt wird.
Das Verfahren der eingangs genannten Art zur Härteprüfung ist aus der DE-A-39 34 578 bekannt, die sich ihrerseits auf die grundlegende US- Patentschrift 31 53 588 für das Resonanzverfahren zur Härteprüfung bezieht. Dieses Verfahren wird häufig als UCI- (ultrasonic contact- impedance)-Verfahren bezeichnet. Theoretische Grundlagen zu diesem Verfahren sind in dem Aufsatz von Gladwell und Kleesattel "The contact-impedance meter-2" in Ultrasonics, Oktober 1968, Seite 244 bis 250, enthalten.
Mit Hilfe des Härteprüfverfahrens der eingangs genannten Art (DE-A-39 34578) soll insbesondere für Serienteile mit geringer mechanischer Reaktanz der Härtewert bestimmt werden. Hierzu wird zunächst zur Kali¬ brierung an mehreren Härtevergleichsplatten jeweils ein Eindruck aus¬ geführt, der sowohl UCI-mäßig, als auch optisch (nach dem Vickers-Ver- fahren) vermessen wird. Aus den erhaltenen Werten und dem bekannten Härtewert der Härtevergleichsplatten werden Koeffizienten einer Kor- rekturfunktion höheren Grades für die UCI-Messung und mindestens einer Korrekturfunktion mindestens ersten Grades für die optische Messung ermittelt. Werden auf den Serienteilen dann Eindrücke erzeugt, die sowohl UCI-mäßig als auch optisch ausgemessen werden, so kann aus dem Verhältnis des pro Eindruck erhaltenen optischen und UCI-Meßwertes jeweils ein Korrekturfaktor ermittelt werden und können anschließend die anderen Serienteile an möglichst gleichen Koordinaten der Ober¬ fläche lediglich UCI-mäßig härtebestimmt werden. Dadurch wird diese Härtemessung wesentlich vereinfacht und beschleunigt.
Die benutzte Korrektur ist im wesentlichen empirisch und auf die spe¬ zifische Eigenschaft der Probe zugeschnitten. Ändert sich die Proben¬ geometrie, muß der gesamte Kalibrierungsvorgang neu ablaufen. Insbe¬ sondere ist es aber nicht möglich, mit dem vorbekannten Verfahren die Reaktanz der Probe zu ermitteln. Die Reaktanz wird lediglich als Stör¬ faktor angesehen, nicht aber tatsächlich erfaßt.
Hier setzt nun die Erfindung ein. Sie hat es sich zur Aufgabe gemacht, das UCI-Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend weiterzuent- wickeln, daß die Reaktanz der Probe erfaßt und damit noch präziser im Meßergebnis für den Härtewert oder den Elastizitätsmodul berücksich¬ tigt werden kann.
Diese Aufgabe wird ausgehend von dem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß für die Probe die Frequenzänderung df bei zumindest zwei unterschiedlichen Prüfkräften gemessen wird und daß die so gemessenen Frequenzänderungen df jeweils in eine L&πwerteformel der Form
HV = G(df, a, o, b) (1)
eingesetzt werden, in der a eine probenunabhängige, apparative Kon¬ stante, Ro die Reaktanz der Probe und b ein den Elastizitätsmodul E und die Querkontraktionszahl μ enthaltender Term sind, wobei sich eine der Zahl der Prüfkräfte entsprechende Anzahl von linearen Gleichungen ergibt, aus denen einerseits entweder der Härtewert HV oder der Term b unabhängig von der Reaktanz Ro oder andererseits die Reaktanz o bei bekanntem Härtewert oder Term b ermittelt wird. Die ümwerteformel (1) ergibt sich aus dem von Gladwell und Kleesattel gemachten Ansatz in der ersten Gleichung dieses Aufsatzes, indem je¬ doch die Reaktanz ausdrücklich nicht vernachlässigt wird. Die neue Umwerteformel ermöglicht es, die Reaktanz Ro einer Probe, die im we¬ sentlichen durch die Probengeometrie gegeben ist, durch mindestens zwei Messungen mit unterschiedlichen Prüfkräften zu bestimmen. Weiter¬ hin kann dann mit dieser Umwerteformel die Querkontraktionszahl, der Härtewert HV oder der Elastizitätsmodul E bestimmt werden, sofern zwei dieser drei Größen bekannt sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat bei der praktischen Prüfung, bei¬ spielsweise auf Härte oder Elastizitätsmodul, entscheidende Vorteile. Anstelle der individuellen Kompensation der Probengeometrie (bei an¬ sonsten konstanten Materieparametern) muß nicht für jede einzelne Probengeometrie eine individuelle Korrektur durchgeführt werden, viel¬ mehr genügt eine einmalige Einstellung und kann unabhängig von der jeweiligen Geometrie (bei gleichem bzw. ähnlichem Material) die ge¬ wünschte Messung durchgeführt werden.
In ansich bekannter Weise kann das erfindungsgemäße Verfahren mit einem weiteren, zweckmäßigerweise automatisierten Härteprüfverfahren kombiniert werden, beispielsweise einer optischen Ausmessung des ver¬ fahrensmäßig erzeugten Härteprüfeindrucks, nach Entfernen des Resona¬ tors. Auf diese Weise läßt sich bei bekannter Querkontraktionszahl der Elastizitätsmodul einer Probe unmittelbar erfassen.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist zur Kalibrierung einer Härte¬ prüfeinrichtung nach dem UCI-Verfahren nur die Bestimmung der Koeffi¬ zienten a und b notwendig, da bei Härtevergleichsplatten, wie sie für die Kalibrierung verwendet werden, die Härte bekannt und der Elastizi¬ tätsmodul sowie die Querkontraktionszahl ermittelbar sind. Die beiden Koeffizienten a und b lassen sich mit nur zwei (anstelle von bisher drei) Kalibrationsmessungen bestimmen. Eine dritte Härtevergleichs¬ platte, wie sie bei Verwendung der bisher benutzen Umwerteformel nach dem Stand der Technik notwendig ist, entfällt.
Bei Messung von Materialien mit stark abweichendem Elastizitätsmodul, für die keine Härtevergleichsplatten zur Kalibrierung zur Verfügung stehen, bedeutet dies eine erhebliche Zeit- und Kosteneinsparung, da die Präparation und das optische Ausmessen von Referenzproben zur Kalibrierung allgemein sehr zeitintensiv sind.
In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß der Eindring¬ körper zunächst mit einer ersten Kraft gegen die Probe gedrückt wird und die zugehörige Frequenzänderung gemessen wird, und anschließend die Andrückkraft auf einen höheren, zweiten Wert gesteigert und bei diesem wiederum die FrequenzVerschiebung df gemessen wird. Durch der¬ artiges, stufenweises Erhöhen der Kraft in ein- und demselben Eindruck werden Wertepaare erhalten, über die eine präzisere Bestimmung der gewünschten Größen, z. B. des Härtewertes, möglich ist. Die schritt¬ weise Steigerung der Andrückkraft ermöglicht auch eine deutliche Ab¬ kürzung des Verfahrensablaufs, da mechanische Zwischenschritte, wie z. B. Verschieben des Resonators, nicht notwendig sind. Die mehr- schrittige Messung benötigt daher nur unwesentlich mehr Zeit als für die ansich bekannte Messung nach dem Stand der Technik mit nur einer Prüfkraft (Andrückkraft) pro Eindruck.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den übri¬ gen Ansprüchen sowie der nun folgenden Beschreibung eines nicht ein¬ schränkend zu verstehenden Ausführungsbeispiels, das unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert wird. In dieser zeigen:
Fig. 1 eine prinzipielle Darstellung des erfindungsgemäßen Härteprüf¬ geräts in Seitendarstellung und mit einer Probe und
Fig. 2 ein Diagramm für den Ablauf einer Messung mit vier unterschied¬ lichen Prüfkräften.
Von einem ansich bekannten Härteprüfgerät, wie es beispielsweise aus der DE-C-37 20 625 bekannt ist, sind in Figur 1 dargestellt eine Sonde 20, in der sich ein stabförmiger Resonator 22 befindet, an dessen freiem, unteren, aus dem Sondengehäuse herausragenden Ende ein Vickers-Eindringkörper befestigt ist. In ansich bekannter Weise ist der im Sondengehäuse längsverschiebbare Resonator 22 gegenüber dem Sondengehäuse durch eine Feder 24 abgestützt.
Die Sonde 20 ist auf einem Schlitten 28 befestigt, der vertikal ver- schiebbar und über eine Längsführung geführt an einem Hauptschlitten 30 angeordnet ist. Mittels eines Elektromotors 32, der über eine Schraubspindel mit dem Schlitten 28 verbunden ist und selbst am Haupt¬ schlitten 30 befestigt ist, kann die Sonde 20 im Sinne des Doppel¬ pfeils 34 auf- und abbewegt werden.
Wird die Sonde mittels des Elektromotors 32 für eine Erstberührung gegen die Probe 26 in die in Figur 1 gezeigte Position gefahren, läßt sich der Zustand der Erstberührung an einem Frequenzsprung, aber auch alternativ an einem Amplituden- oder Phasensprung in der Schwingung des Resonators 22 feststellen. Wird nun ausgehend von diesem Zustand die Sonde 20 über den vom Elektromotor 32 angetriebenen Schlitten 28 weiter gegen die Probe 26 gedrückt, verkürzt sich die Feder 24 zuneh¬ mend. Die dabei resultierende Verschiebung zwischen Resonator 22 und Sondengehäuse kann durch eine Längenmessung erfaßt werden, jeder Länge entspricht eine Kraft. Andererseits kann auch eine Kraftmeßeinrichtung an einem Ende der Feder vorgesehen sein.
Schließlich ist am Hauptschlitten 30 noch ein Mikroskopobjektiv 36 mit aufgesetzter Videokamera 38 befestigt, wie Fig. 1 zeigt, sind die Sonde 20 und die optische Anordnung 36, 38 achsenparallel zueinander ausgerichtet. Der Hauptschlitten ist in einer horizontalen Längsfüh¬ rung 40 verschiebbar im Sinne des Doppelpfeiles 42 angeordnet. Im gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Längsführung 40 zwei parallele Rundstangen auf. Von der Längsführung 40 haben die Achsen des Resona¬ tors 22 und der optischen Anordnung 36, 38 denselben Abstand. Der Hauptschlitten 30 kann um den Abstand der Achsen des Resonators 22 und des Objektivs 36 entlang der Längsführung 40 verschoben werden, an beiden Enden des Verschiebeweges sind nicht dargestellte, einstellbare Anschläge vorgesehen. Die Anordnung ist so getroffen, daß bei Ver¬ schieben von einem Anschlag zum anderen der Ort, an dem der Vickers- Eindringkörper einen Eindruck hinterlassen hat, exakt zentrisch in der Mitte des Objektivs 36 erscheint. Dadurch kann ein Eindruck, der zu¬ nächst durch Eindrücken des Eindringkörpers des Resonators 22 in die Probe 26 erhalten wurde, nach Anheben des Resonators 22 und Verschie¬ ben des Hauptschlittens 30 optisch, also nach dem Vickers-Verfahren, ausgemessen werden. Durch schrittweises Absenken des Sondengehäuses gegenüber dem Resona¬ tor 22 bzw. der mit ihm in Kontakt stehenden Probe 26 wird die Feder 24 schrittweise weiter zusammengedrückt, wodurch sich der aus Fig. 2 gezeigte Verlauf ergibt. Dargestellt sind ausgehend von der Erfassung des Erstkontaktes (Prüfkraft F = 0) das schrittweise Aufbringen von Prüfkräften der Größe 4 N, 8 N, 12 N und 16 N. Nach Anlegen der höch¬ sten Prüfkraft wird der Resonator 22 nach einer gewissen Zeit wieder angehoben, indem der Elektromotor 32 den Schlitten 28 wieder nach oben zieht. Dadurch fällt die Prüfkraft wieder auf den Wert F = 0 ab.
Bei jeder der vier angelegten Prüfkräfte ergibt sich eine Frequenzver- schiebung df der Resonanzfrequenz f des Resonators 22. Aus den Werte¬ paaren Fi ,dfι ; F2 ,df2 ... F4,df4 lassen sich zu messende Parameter ableiten, worauf im folgenden eingegangen wird:
Die Umwerteformel (1) läßt sich in folgender Form darstellen:
a 1
HV (UCI) = — + (2)
{gn}b2 n Ro*m
Hierbei ist:
F Prüflast in N, n und m Funktionen der UCI-Frequenzverschiebung df und
{gn} Maßzahl der Fallbeschleunigung (= 9,81).
In die Formel (2) werden nun mindestens zwei Wertepaare eingesetzt, wodurch sich zwei lineare Gleichungen ergeben:
Figure imgf000008_0001
Wenn die Konstante a nicht bekannt ist, kann sie auch nach dem erfin¬ dungsgemäßen Verfahren erhalten werden durch Ausmessen eines Vickers- Eindrucks, der z. B. stufenweise durch mindestens zwei Prüfkräfte auf einer Härtevergleichsplatte mit bekanntem Härtewert sowie bekanntem Wert des Termes b erzeugt wird.
Aus dem angegebenen Gleichungssystem (2a) und (2b) lassen sich die Reaktanz Ro und entweder der Härtewert HV oder der materialabhängige Term b nun für beliebige Proben bestimmen. Aus b kann der Elastizi¬ tätsmodul (auch Dehnungsmodul bzw. E-Modul genannt) E erhalten werden, wenn die Querkontraktionszahl bekannt ist, und zwar aus der Gleichung
b = 0,93/Eeff (Werkstoff) + k/Eeff (Eindringkörper) (3)
mit Eeff = E/(l - μ2), wobei μ = Querkontraktionszahl (Poissonzahl) und k eine formabhängige Konstante des Eindringkörpers ist. Da der Elastizitätsmodul des Eindringkörpers wesentlich größer als k ist, kann der Term k/Eeff (Eindringkörper) vernachlässigt werden. Hieraus er¬ gibt sich
E = 0,93 (1 - μ2)/b.
Bei Proben mit unendlich großer Probenreaktanz (große Masse, Dämpfung) ist im allgemeinen schon eine Messung bei nur einer Prüfkraft (z. B. Fi ) ausreichend.
In einer alternativen Ausbildung kann die Prüfkraft auch dadurch ge¬ steigert werden, daß auf die Sonde Gewichte aufgelegt werden. Auch dies kann motorisch erfolgen, indem beispielsweise mit einer Spindel ein Gewicht abgesenkt und auf die Sonde aufgelegt wird.
Für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es nicht notwendig, daß - wie oben beschrieben - ein- und derselbe Eindruck mit mindestens zwei verschiedenen Prüfkräften, allerdings mit steigender Prüf raft, UCI-mäßig ausgemessen wird. Es können auch zwei verschiede¬ ne Sonden, die auf unterschiedliche Prüfkräfte ausgelegt sind und beispielsweise ebenfalls entsprechend der genannten DE-C-37 20 625 ausgebildet sind, eingesetzt werden. Hierbei hat jedoch in der Regel jede Sonde ihre eigene apparative Konstante a.
Anstelle einer schrittweisen Erhöhung der Prüfkraft kann die Prüfkraft auch kontinuierlich gesteigert und die jeweils zugehörige FrequenzVerschiebung df dabei erfaßt werden.

Claims

A n s p r ü c h e
1. Verfahren zur Messung der Härte oder elastischer Materialeigen¬ schaften unter Last nach der Ultraschall-Kontakt-Impedanz-Methode, bei der ein stabförmiger Resonator, der an einem freien Ende einen Eindringkörper trägt, mit einer vorgegebenen Prüfkraft gegen eine zu messende Probe gedrückt wird, wobei der Eindringkörper in die Probe eindringt, und die dadurch bedingte Änderung df der Frequenz f des Resonators gemessen wird und hieraus über eine Umwerteformel mittels der bekannten Werte für den Elastizitätsmodul E (bzw. für den Härtewert HV) und die Querkontraktionszahl μ der Probe der Härtewert HV (bzw. der Elastizitätsmodul E) ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß für die Probe die Frequenzänderung df bei zumindest zwei unterschiedlichen Prüfkräften gemessen wird und daß die so gemessenen Frequenzänderungen df jeweils in eine Umwer¬ teformel der Form
HV = G(df, a, Ro, b) (1)
eingesetzt werden, in der a eine probenunabhängige, apparative Kon¬ stante, Ro die Reaktanz der Probe und b ein den Elastizitätsmodul E und die Querkontraktionszahl μ enthaltender Term sind, wobei sich eine der Zahl der Prüfkräfte entsprechende Anzahl von linearen Gleichungen ergibt, aus denen einerseits entweder der Härtewert HV bei bekanntem Term b oder der Term b bei bekanntem Härtewert HV unabhängig von der Reaktanz Ro oder andererseits die Reaktanz Ro bei bekanntem Härtewert HV und bekanntem Term b ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ein- dringkörper zunächst mit einer ersten Prüfkraft (z. B. 3N) gegen die Probe gedrückt wird und die zugehörige Frequenzänderung df gemessen wird und anschließend die Prüfkraft auf einen höheren Wert (z. B. 10 N) erhöht und die zugehörige Frequenzänderung df gemessen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Prüf- kraft für einen Eindruck entweder kontinuierlich oder in zwei oder mehr Schritten erhöht wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich eine Härtemessung durchgeführt wird, insbesondere eine optische Auswertung der erzeugten Prüfeindrücke des Eindringkörpers auf der Probe.
5. Verfahren nach Anspruch 1 mit mindestens zwei Sonden für unter¬ schiedliche Prüfkräfte, dadurch gekennzeichnet, daß an mindestens zwei unterschiedlichen Orten der Probe gemessen wird.
6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprü¬ che 1 bis 5 mit einer Sonde (20), der ein Elektromotor (32) für die Auf- und Abwärtsbewegung in ihrer Längsrichtung zugeordnet ist, wobei die vom Elektromotor (32) erzeugte Kraft schrittweise oder kontinuierlich erhöht wird.
7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprü¬ che 1 bis 5 mit einer Sonde (20), dadurch gekennzeichnet, daß Ge¬ wichte vorgesehen sind, die zur Erhöhung der Prüfkraft auf die Sonde auflegbar sind, wobei das Auflegen vorzugsweise durch moto¬ rische Absenkung der Gewichte erfolgt.
PCT/DE1991/000256 1990-04-07 1991-03-22 Verfahren zur härtemessung nach der ultraschall-kontakt-impedanz-methode Ceased WO1991015747A1 (de)

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DE59101684T DE59101684D1 (de) 1990-04-07 1991-03-22 Verfahren zur härtemessung nach der ultraschall-kontakt-impedanz-methode.
EP91905798A EP0524201B1 (de) 1990-04-07 1991-03-22 Verfahren zur härtemessung nach der ultraschall-kontakt-impedanz-methode
JP91506265A JPH05506305A (ja) 1990-04-07 1991-03-22 超音波コンタクトインピーダンス方法における、荷重印加の基での硬さ又は弾性材料特性の測定方法

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE4011313A DE4011313A1 (de) 1990-04-07 1990-04-07 Verfahren zur messung der haerte oder elastischer materialeigenschaften unter last nach der ultraschall-kontakt-impedanz-methode
DEP4011313.2 1990-04-07

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Publication Number Publication Date
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